DE102014101120A1

DE102014101120A1 - Hohlstruktur und Herstellungsverfahren für eine Hohlstruktur

Info

Publication number: DE102014101120A1
Application number: DE201410101120
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Becker Marine Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Becker Marine Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hohlstruktur und ein Herstellungsverfahren für die metallschaumgefüllte Hohlstruktur. In dem Verfahrensaspekt sind die folgenden Schritte umfasst: – Zusammenfügen (S1) von zumindest zwei metallischen Platten (11a, 11b), um einen durchgängigen, insbesondere in sich geschlossenen, Hohlraum (10) zu umschließen, wobei die mindestens zwei Platten (11a, 11b) Außenflächen der Hohlstruktur bilden, und wobei der Hohlraum (10) in seiner Makrostruktur eine Ausdehnung in drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen (X, Y, Z) aufweist; und – Einfüllen eines Metallschaums oder eines schäumbaren, metallhaltigen Vormaterials in den Hohlraum; – wobei die metallschaumgefüllte Hohlstruktur ein Tragflügel für Schiffe, insbesondere ein Ruderblatt, oder eine Düse oder Teildüse für Schiffe, insbesondere ein Ringkörper einer Vordüse oder Propellerdüse, ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlstruktur und ein Herstellungsverfahren für eine Hohlstruktur. Dabei ist die Hohlstruktur ein Tragflügel für Schiffe, insbesondere ein Ruderblatt, oder eine Düse oder eine Teildüse für Schiffe, insbesondere ein Ringkörper einer Vordüse oder einer Propellerdüse.
Stand der Technik
Bei der Herstellung von Rudern oder sonstigen Tragflügeln für Schiffe werden üblicherweise zunächst Quer- und Längsspanten miteinander verschweißt, bis diese eine zusammenhängende, fest miteinander verbundene, innere Struktur bilden. Anschließend werden auf diese innere Struktur die äußere Beplattung sowie die Ober- und Unterplatte zur Bildung des Ruders aufgebracht. Da die einzelnen Spanten miteinander und mit der Beplattung verbunden werden müssen, ergibt sich ein relativ hoher Schweißaufwand bei der Herstellung. Ebenso werden Düsen oder Teildüsen für Schiffe bzw. deren Ringkörper mittels innen angeordneter Spanten oder sonstiger Versteifungselemente hergestellt, um die herum eine Beplattung zur Ausbildung des Ringkörpers angebracht wird. Auch hier fällt ein hoher Schweißaufwand bei der Herstellung an.
Ferner ist es bei Tragflügeln für Schiffe, insbesondere Ruderblättern, oder bei Düsen oder Teildüsen für Schiffe, insbesondere Ringkörpern einer Vordüse oder einer Propellerdüse, wichtig, dass diese eine ausreichende Festigkeit aufweisen. Beispielsweise sind Tragflügel für Schiffe, insbesondere im Fall von Rudern für Schiffe bzw. bei Ruderblättern solcher Ruder, transientem Stress ausgesetzt, der bei Ruderbewegungen und durch die dynamische Belastung durch das umgebende Wasser entsteht. Entsprechend müssen auch die Schweißnähte der Tragflügel oder Düsen eine hohe Festigkeit aufweisen und mit entsprechender Präzision gefertigt werden, was den Herstellungsaufwand weiter erhöht.
Zusätzlich werden auch an die für die Tragflügel und Düsen bzw. Teildüsen verwendeten Werkstoffe im Hinblick auf die geforderten Festigkeiten immer höhere Anforderungen gestellt. So müssen die Werkstoffe in der Lage sein, immensem mechanischem Stress standzuhalten, der sowohl stetig als auch transient einwirken kann. Die Anforderungen sind teilweise jedoch scheinbar widersprüchlich: der Werkstoff soll einerseits möglichst leicht sein, um das Eigengewicht des fertigen Teils nicht unnötig zu erhöhen; andererseits soll der Werkstoff große Steifigkeit aufweisen und dem mechanischen Stress gewachsen sein.
Die Druckschrift DE 2 109 934 A betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von ausgeschäumten Schalenbauteilen, wobei die Bauteilschalen aus faserverstärktem Kunststoff bestehen und die Hohlräume mit Schaumstoff gefüllt sind. Solche Bauteile können ein Steuerruder für ein Schiff sein. Bei solchen Rudern ist zwar der Schweißaufwand reduziert, jedoch weisen solche Steuerruder nur geringe Festigkeiten auf und können nur bei Anwendungsfällen mit geringen Belastungen, wie bei Booten und kleinen Schiffen, eingesetzt werden.
Die Druckschrift FR 2 692 546 A1 offenbart ein kunstfaserverstärktes Ruder sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ruders. Das Ruder weist eine metallische Nabe auf, die zur Aufnahme des Ruderschaftes ausgebildet ist. An die Nabe sind metallische Querspanten zur Stützung des Ruders angeschweißt. Die Außenhülle besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff, wohingegen die Nabe sowie die Querspanten aus Metall ausgebildet sind. Das Ruder ist gefüllt mit einem syntaktischen Schaum. Auch bei diesem Ruder sind Schweißarbeiten erforderlich und die erreichten Festigkeiten reichen für Tragflügel mit hohen Belastungen nicht aus.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand bei der Herstellung von Tragflügeln für Schiffe, wie Ruder, oder von Düsen oder Teildüsen für Schiffe, wie Ringdüsen für Propellerdüsen oder Vordüsen, insbesondere im Hinblick auf den in Zusammenhang mit Schweißarbeiten entstehenden Aufwand, zu verringern und gleichzeitig eine möglichst hohe Festigkeit des Tragflügels bzw. der Düse oder Teildüse zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht in einem ersten Aspekt eine (metallschaumgefüllte) Hohlstruktur vor, die einen durchgängigen Hohlraum, der durch zumindest zwei metallische Platten umschlossen ist und in seiner Makrostruktur eine Ausdehnung in drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen aufweist, und einen Metallschaum umfasst, der in den Hohlraum gefüllt ist, wobei die metallschaumgefüllte Hohlstruktur ein Tragflügel für Schiffe, insbesondere ein Ruderblatt, oder eine Düse oder eine Teildüse für Schiffe, insbesondere ein Ringkörper einer Vordüse oder einer Propellerdüse, ist.
Der Metallschaum kann den Hohlraum bevorzugt im Wesentlichen oder auch vollständig ausfüllen.
Die mindestens zwei metallischen Platten müssen nicht zwingend eben, sondern können auch gebogen ausgebildet sein oder eine sonstige Formgebung aufweisen. Entscheidend ist nur, dass sie weiterhin Platteneigenschaften aufweisen, d.h., eine gegenüber den anderen beiden Dimensionen vergleichsweise geringe, bzw. sehr geringe Dicke aufweisen.
Außerdem kann das Ruderblatt zusammen mit einem Ruderschaft und gegebenenfalls einer Ruderflosse in einem Schiffsruder umfasst sein. Insbesondere kann ferner auch die an das Ruder angelenkte Ruderflosse als Hohlstruktur gemäß der Erfindung ausgebildet werden.
Die mindestens zwei Platten bilden ferner Außenflächen der Hohlstruktur. Dabei kann die gesamte Außenfläche der Hohlstruktur durch genau zwei Platten gebildet sein oder es können auch Teile der Außenfläche durch weitere Platten oder weitere Bauteile der Hohlstruktur gebildet sein. Da die mindestens zwei Platten aus Metall bestehen, sind entsprechend auch die von den mindestens zwei Platten gebildeten Außenflächen der Hohlstruktur aus Metall.
Der Hohlraum kann insbesondere geschlossen ausgebildet sein, d.h., der Hohlraum ist von außen – zumindest nicht ohne weiteres – zugängig oder nicht in direktem Kontakt mit der äußeren Umwelt der Hohlstruktur. Die Hohlstruktur weist genau einen oder mehrere Hohlräume auf. Bevorzugt kann die Hohlstruktur genau einen Hohlraum, maximal zwei Hohlräume, maximal drei Hohlräume, maximal fünf Hohlräume, maximal zehn Hohlräume oder auch maximal zwanzig Hohlräume aufweisen. Weist die Hohlstruktur genau einen Hohlraum auf, ist es bevorzugt, dass die Hohlstruktur aus dem einen Hohlraum und dem den Hohlraum ausfüllenden Metallschaum besteht.
Die mindestens zwei Platten können den Hohlraum vollständig oder auch nur teilweise umschließen. Ist die Hohlstruktur beispielsweise ein Ruderblatt mit genau einem Hohlraum, kann jede der mindestens zwei metallischen Platten jeweils eine vollständige Seitenbeplattung des Ruderblattes bilden, so dass die beiden Seitenplatten den dazwischenliegenden, inneren Hohlraum umschließen. Nach oben und unten hin kann der Hohlraum dann bevorzugt durch eine weitere Oberplatte und eine weitere Unterplatte nach außen hin abgeschlossen bzw. begrenzt sein.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass in dem Hohlraum ausschließlich der Metallschaum angeordnet ist. Ferner ist es besonders bevorzugt, dass zusätzlich zum Metallschaum, keine Aussteifungselemente, insbesondere keine Spanten, im Hohlraum angeordnet sind.
Unter dem Begriff „Teildüse“ ist eine Düse bzw. ein Teil der Düse zu verstehen, die nicht um ihren Umfang geschlossen ausgebildet ist, sondern beispielsweise nur einen Teil eines Düsenringkörpers umfasst bzw. aus diesem besteht. Diese Teildüsen können beispielsweise derart am Schiffskörper angebracht werden, dass der Querschnitt der Teildüse durch den Schiffskörper geschlossen wird.
Ein Metallschaum ist ein, insbesondere poröser, Schaum, der metallische Werkstoffe umfasst oder aus metallischen Werkstoffen besteht. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Metallschaum offenporig oder geschlossenporig sein. Der Metallschaum kann z. B. aus Aluminium bestehen und vorzugsweise einen E-Modul von 0,3 × 10⁵ N/mm² bis 0,65 × 10⁵ N/mm², bevorzugt ca. 0,5 × 10⁵ N/mm², aber lediglich eine Dichte von 0,2 g/cm³ bis 1,0 g/cm³, bevorzugt ca. 0,5 g/cm³, (abhängig von der Menge und Größe der eingeschlossenen Poren) aufweisen. Im Vergleich zu konventionellem Aluminium mit einem E-Modul von 0,7 × 10⁵ N/mm² und einer Dichte von ca. 2,7 g/cm³ ist die Gewichtsersparnis deutlich zu erkennen.
Unter dem Begriff „durchgängig“ ist zu verstehen, dass der Hohlraum einen einzigen, insbesondere in sich geschlossenen, Raum bildet, der jedoch nicht zwingend eine symmetrische Form aufweisen muss, sondern auch asymmetrisch, verwinkelt oder in sonstiger Form ausgestaltet sein kann. Auch können andere Bauteile in den Hohlraum hineinragen, solange diese den Hohlraum nicht in mehrere, separate Räume unterteilen.
Durch die Vorsehung des Metallschaums im Hohlraum, der hohen Belastungen standhält und eine aussteifende Funktion übernimmt, brauchen gegenüber herkömmlichen Tragflügeln oder Düsen bzw. Teildüsen weniger oder keine zusätzlichen Aussteifungselemente, wie Spanten, mehr im Tragflügel bzw. in der Düse oder der Teildüse vorgesehen sein, was den Herstellungsaufwand deutlich reduziert. Gleichzeitig können durch die Kombination von mindestens zwei, zumindest einen Teil der Außenhülle der Hohlstruktur bildenden metallischen Platten mit dem im Inneren angeordneten Metallschaum hohe Festigkeiten erreicht und hohen Belastungen widerstanden werden.
In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des ersten Aspekts besteht der Metallschaum aus geschäumtem Metallgranulat, das wiederum vorzugsweise aus einer Vielzahl von einzelnen Körnern besteht. In diesem Fall umfasst die Makrostruktur vorzugsweise eine Anordnung der Vielzahl von Körnern in zumindest zwei einander überlagernden Schichten. Ferner weisen vorzugsweise die Körner jeweils eine geschlossene Oberfläche und einen geschäumten Kern auf. Zusätzlich ist vorzugsweise auf die Körner jeweils eine adhäsionsfähige Schicht aufgetragen. In letzterem Fall ist die adhäsionsfähige Schicht vorzugsweise eine Schicht aus Polyamid und/oder Epoxidharz. Durch Erwärmung des aufgeschäumten, mit der adhäsionsfähigen Schicht versehenen Materials wird die adhäsionsfähige Schicht aktiviert und es entsteht ein fester Verbund der einzelnen, aufgeschäumten Körner.
In einer zweiten Ausgestaltung des ersten Aspekts besteht der Metallschaum vorzugsweise aus einem aufgeschäumten schäumbaren, metallhaltigen Vormaterial. Das metallhaltige Vormaterial kann beispielsweise Metallpulver sein. Durch Versetzung mit einem geeigneten Treibmittel und/oder einem geeigneten Bindemittel und unter Zufügung thermischer Energie entsteht ein Metallschaum. Gegebenenfalls kann, insbesondere vor der Wärmebehandlung, das schäumbare, metallhaltige Vormaterial oder das Gemisch aus Treibmittel und/oder Bindemittel und schäumbaren, metallhaltigen Vormaterial verdichtet werden.
In einer dritten Ausgestaltung des ersten Aspekts besteht der Metallschaum aus einem oder mehreren aufgeschäumten Blöcken aus aufgeschäumten, metallhaltigen, insbesondere vollständig aus Metall bestehenden Material. Bei dieser Ausgestaltung ist nicht eine Vielzahl einzelner Körner vorgesehen. Vielmehr bildet jeder Metallschaumblock eine in sich geschlossene (Schaum-)Struktur, die eine Vielzahl von kleinen Poren bzw. Hohlräumen aufweist. Es ist daher häufig nicht notwendig, Klebe- oder sonstige Verbindungsmittel vorzusehen, um eine größere Gesamtstruktur zu bilden, wie dies bei der Ausgestaltung mit einer Vielzahl von einzelnen Körnern der Fall ist. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die einzelnen Blöcke an sich jeweils keine Klebe- oder sonstigen Verbindungsmittel aufweisen, d.h., die Blöcke sind derart ausgestaltet, dass Ihre Struktur auch ohne Klebe- oder sonstige Verbindungsmittel Bestand hat. Sind mehrere Blöcke vorgesehen, können allerdings Klebe- oder sonstige Verbindungsmittel vorgesehen sein, um die einzelnen Blöcke miteinander zu verbinden. Ist nur ein einziger Block vorgesehen, ist es bevorzugt, dass dieser Block den Hohlraum im Wesentlichen ausfüllt. Ebenso können bevorzugt mehrere Blöcke zusammen den Hohlraum im Wesentlichen ausfüllen. Bevorzugt werden die Blöcke außerhalb des Hohlraums hergestellt, beispielsweise mittels Erhitzens des Vormaterials in einer Form. Alternativ wäre es auch möglich, die Blöcke innerhalb des Hohlraums herzustellen. Werden die Blöcke außerhalb des Hohlraums bzw. der Hohlstruktur hergestellt, muss keine Erwärmung des Metallschaums in der Hohlstruktur und entsprechend auch keine Erwärmung der Hohlstruktur selbst erfolgen. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Hohlstruktur hitzeempfindlich ist.
In einer vierten Ausgestaltung, die die erste, zweite und/oder dritte Ausgestaltung mit umfassen kann, besteht der Metallschaum vorzugsweise aus Aluminium.
In einer fünften Ausgestaltung bestehen die zumindest zwei Platten aus Stahl.
In einem zweiten Aspekt ist ein Ruderblatt vorgesehen, das eine Hohlstruktur gemäß dem ersten Aspekt umfasst oder aus dieser Hohlstruktur besteht.
In einem dritten Aspekt ist ein Herstellungsverfahren für eine, insbesondere metallschaumgefüllte, Hohlstruktur vorgesehen, das die Schritte umfasst: Zusammenfügen von zumindest zwei metallischen Platten, um einen durchgängigen Hohlraum zu umschließen, der in seiner Makrostruktur eine Ausdehnung in drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen aufweist, wobei die mindestens zwei Platten Außenflächen der Hohlstruktur bilden; und Einfüllen eines Metallschaums oder eines schäumbaren, metallhaltigen Vormaterials in den Hohlraum; wobei die Hohlstruktur ein Tragflügel für Schiffe, insbesondere ein Ruderblatt, oder eine Düse oder Teildüse für Schiffe, insbesondere ein Ringkörper einer Vordüse oder Propellerdüse, ist. Das Herstellungsverfahren ist besonders geeignet zur Herstellung einer vorbeschriebenen Hohlstruktur bzw. eines vorgeschriebenen Ruderblattes.
In einer ersten Ausgestaltung des dritten Aspekts umfasst das Herstellungsverfahren den weiteren Schritt: Erwärmen der Hohlstruktur mit dem eingefüllten Metallschaum oder dem schäumbaren, metallhaltigen Vormaterial, bis der Metallschaum oder das schäumbare, metallhaltige Vormaterial einen vordefinierten Endzustand erreicht haben.
In einer zweiten Ausgestaltung des dritten Aspekts, die die erste Ausgestaltung mit umfassen kann, umfasst der Einfüllschritt vorzugsweise Einfüllen eines Metallgranulats, das aus einer Vielzahl von einzelnen Körnern besteht. In diesem Fall umfasst die Makrostruktur vorzugsweise eine Anordnung der Vielzahl von Körnern in zumindest zwei einander überlagernden Schichten. Ferner weisen die Körner vorzugsweise eine geschlossene Oberfläche und einen geschäumten Kern auf. Zusätzlich umfasst das Herstellungsverfahren vorzugsweise einen Schritt „Auftragen einer adhäsionsfähigen Schicht auf die Körner“, vor dem Einfüllschritt. In letzterem Fall ist die adhäsionsfähige Schicht vorzugsweise eine aus Polyamid und/oder Epoxidharz. Durch Erwärmung des aufgeschäumten, mit der adhäsionsfähigen Schicht versehenen Materials wird die adhäsionsfähige Schicht aktiviert und es entsteht ein fester Verbund der einzelnen, aufgeschäumten Körner. Alternativ ist es auch möglich, die Körner ohne die adhäsionsfähige Schicht in den Hohlraum einzufüllen und anschließend ein adhäsionsfähiges Material zusätzlich in den Hohlraum einzubringen. Gegebenenfalls kann das Gemisch aus aufgeschäumten Metallkörnern und adhäsionsfähigem Material vor der Erwärmung und damit verbundenen Zusammenfügung noch (im Hohlraum) vermischt werden.
Ferner umfasst der Erwärmungsschritt vorzugsweise eine Erwärmung auf mindestens 150°C, bevorzugt auf mindestens 200°C, besonders bevorzugt auf mindestens 250°C. Hierbei ist es ferner bevorzugt, dass der Erwärmungsschritt eine Temperatur von 750°C, besonders bevorzugt 600°C, am bevorzugsten 450°C nicht überschreitet.
In einer dritten Ausgestaltung des dritten Aspekts, die die erste Ausgestaltung mit umfassen kann, umfasst der Einfüllschritt vorzugsweise Einfüllen eines schäumbaren, metallhaltigen Vormaterials zusammen mit einem Treibmittel und/oder mit einem Bindemittel. Das Treibmittel und/oder das Bindemittel kann dabei gleichzeitig mit, vor oder nach dem schäumbaren, metallhaltigen Vormaterial in den Hohlraum eingefüllt werden. Bei dieser Ausgestaltung umfasst der Erwärmungsschritt vorzugsweise eine Erwärmung auf mindestens 600°C, bevorzugt auf mindestens 700°C, besonders bevorzugt auf mindestens 750°C.
Ferner expandiert der Erwärmungsschritt bei dieser Ausgestaltung vorzugsweise das schäumbare, metallhaltige Vormaterial auf ein Mehrfaches seines Ausgangsvolumens im unaufgeschäumten Zustand. Zweckmäßigerweise wird ferner im Zusammenfügungsschritt vorzugsweise ein solcher Hohlraum erzeugt, dessen Volumen nicht größer als das Vierfache, bevorzugt nicht größer als das Fünffache, besonders bevorzugt nicht größer als das Siebenfache des Ausgangsvolumens des schäumbaren Vormaterials ist. Durch die Begrenzung des Volumens wird ein Zusammenfallen des Metallschaums während des Aufschäumvorgangs vermieden.
Ferner umfasst das Herstellungsverfahren vorzugsweise weiterhin einen Schritt „Verdichten des eingefüllten Metallschaums oder des eingefüllten, schäumbaren, metallhaltigen Vormaterials“.
In einer vierten Ausgestaltung des dritten Aspekts, die die erste Ausgestaltung mit umfassen kann, umfasst der Einfüllschritt Einfüllen eines oder mehrerer aufgeschäumter Blöcke aus aufgeschäumten, metallhaltigen, insbesondere vollständig aus Metall bestehenden Material, wobei bevorzugt der Block oder die Blöcke jeweils keine Klebemittel aufweisen. Der bzw. die Blöcke können wie vorstehend für die Hohlstruktur beschrieben ausgebildet sein.
In einer fünften Ausgestaltung des dritten Aspekts, die die erste, die zweite, die dritte und/oder die vierte Ausgestaltung mit umfassen kann, umfasst der Zusammenfügungsschritt vorzugsweise weiterhin einen Schritt „Vorsehen einer Öffnung in der Hohlraumstruktur für den nachfolgenden Einfüllschritt“. In diesem Fall umfasst das Herstellungsverfahren weiterhin vorzugsweise einen Schritt „Verschließen der Öffnung nach dem Einfüllschritt oder dem Erwärmungsschritt“. Zum Beispiel kann die Öffnung in einer der mindestens zwei Platten oder in zusätzlichen Ober- oder Unterplatten, insbesondere im Falle eines Ruderblattes, vorgesehen sein.
Die vorliegende Erfindung eröffnet eine Reihe von Vorteilen, die sich aus dem Studium der vorstehenden und nachfolgenden Beschreibung erschließen. Als ein Vorteil sei angeführt, dass insbesondere durch die erfindungsgemäße Hohlstruktur und das Herstellungsverfahren ein Tragflügel, insbesondere ein Ruderblatt, oder eine Düse bzw. eine Teildüse mit deutlicher Gewichtsersparnis bereitgestellt wird. Mit anderen Worten stellt sich neben der Reduzierung des Herstellungsaufwandes (durch Wegfall der Schweißnähte) auch eine Gewichtsreduzierung, beispielsweise durch Wegfall einiger oder aller Versteifungselemente, wie Spanten, ein. Ferner ist es durch die Erfindung, insbesondere aufgrund der aussteifenden Wirkung des Metallschaums und seiner bevorzugt im Wesentlichen vollflächigen Anlage an den Innenseiten der äußeren Beplattung, möglich, die äußere Beplattungsdicke gegenüber herkömmlichen Tragflügeln oder Düsen bzw. Teildüsen zu reduzieren, Insbesondere kann eine Reduzierung um mindestens 20%, bevorzugt um mindestens 35%, besonders bevorzugt um mindestens 50% erfolgen. In Zahlen ausgedrückt könnte beispielsweise, insbesondere in Bezug auf Ruderblätter, eine Reduzierung der Beplattungsdicke von herkömmlich ca. 20 mm auf ca. 10 mm erfolgen, da durch die aussteifende Wirkung des, insbesondere vollflächig, an der Beplattung anliegenden Metallschaums auch bei dünnerer Beplattung eine ausreichende Festigkeit gegeben ist.
Außerdem ergibt sich ein weiterer Vorteil dadurch, dass durch den im Wesentlichen vollflächig an der Innenwandung anliegenden und den Innenraum, insbesondere komplett, ausfüllenden Metallschaum eine innere Korrosion des Tragflügels oder der Düse bzw. der Teildüse vermieden wird.
Des Weiteren entfallen vorteilhafterweise bei Ringkörpern von Vordüsen oder Propellerdüsen ebenso wie bei Rudern ein Teil der Spanten bzw. Aussteifungsplatten oder sogar sämtliche Spanten bzw. Aussteifungselemente. Insbesondere können bei der erfindungsgemäßen Hohlstruktur gegenüber herkömmlichen Tragflügeln oder Düsen bzw. Teildüsen vergleichbarer Größe die Anzahl der Spanten und/oder sonstigen Aussteifungselemente um mindestens 25%, bevorzugt um mindestens 50%, besonders bevorzugt um mindestens 75% reduziert werden. Insbesondere kann auch eine Ausgestaltung der Hohlstruktur ganz ohne Spanten und/oder sonstige Aussteifungselemente (ausschließlich des Metallschaums) erreicht werden. Die letztgenannte Ausgestaltung kann auch das Verbleiben einer vernachlässigbaren Anzahl von (Teil-)Spanten einschließen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen sowie einige Teilaspekte der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1A, 1B jeweils eine Alternative zur Herstellung von Metallschaum;
2 eine schematische Darstellung einer Hohlstruktur;
3A, 3B eine Darstellung einer ersten Alternative zur Implementierung des Metallschaums; und
4 einen Herstellungsverfahrensaspekt der Vorrichtung.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Zu Beginn sei ausgeführt, dass nachfolgende Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung manchmal mit ihrer technischen Implementierung und manchmal mit ihrer allgemeinen Form bezeichnet werden. Dies schränkt jedoch die allgemeine Form nicht auf die konkrete technische Implementierung ein, sondern stellt jeweils lediglich ein Ausführungsbeispiel dar; dies gilt ebenso für konkrete Zahlenwerte und -angaben: solange diese nicht technisch notwendig sind, stellen auch sie lediglich ein Ausführungsbeispiel dar.
Des Weiteren wird im Folgenden auch die Funktionsweise von sogenannten Sandwichplatten beschrieben werden, die genau eine Schicht Metallschaum angeordnet zwischen zwei, insbesondere ebenen, Metallplatten bzw. Blechen einschließen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass solche Sandwichplatten in der Terminologie der vorliegenden Beschreibung als Elemente mit einer Ausdehnung in lediglich zwei Raumachsen betrachtet werden und somit nicht unter den Schutzgegenstand fallen; gemeint ist hierbei die Makrostruktur der Elemente, in der die Dicke der Sandwichplatte gegenüber den anderen Raumdimensionen vernachlässigbar ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann der Begriff "Makrostruktur" als die Anordnung der Vielzahl von Körnern in zumindest zwei einander überlagernder Schichten der Körner aufgefasst werden. Insofern sollen bevorzugt Sandwichplatten gemäß der vorstehenden Beschreibung bei der vorliegenden Erfindung, sowohl für die Hohlstruktur als auch für das Herstellungsverfahren, keine Verwendung finden. Insbesondere werden die mindestens zwei Platten der Hohlstruktur und bevorzugt alle die Außenfläche der Hohlstruktur bildenden Platten nicht als Sandwichplatten ausgebildet.
Außerdem sei ausgeführt, dass der Begriff "durchgängig" nicht ausschließt, dass bei erfindungsgemäß herzustellenden Rudern zumindest eine etwa mittig angeordnete Nabe zur Aufnahme des Ruderschaftes bestehen bleiben wird. Diese Metallnabe kann von der Oberkante des Ruderblattes ins Innere des Ruderblattes verlaufen, jedoch nicht bis zur Unterkante durchgehen, sondern etwa mittig enden. Insofern bleibt ein durchgängiger Hohlraum bestehen, der jedoch teilweise durch die Nabe in Unterbereiche aufgeteilt sein kann.
Ohne darauf eingeschränkt zu sein, kann der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung dahingehend zusammenfasst werden, dass, insbesondere bei kleineren Rudern, auf die innere Struktur des Ruderblatts des Ruders bzw. zumindest einen Teil hiervon durch Ausschäumung der innenliegenden Ruderhohlräume verzichtet werden kann. Insbesondere kann die Hohlstruktur somit komplett ohne Spanten ausgeführt werden.
Bei einer Alternative zur Herstellung von Metallschaum wird, insbesondere bei Raumtemperatur, aus Metallpulver, z. B. aus Stahlpulver, Wasser und einem Stabilisator ein Schlicker hergestellt. Dem Gemisch wird bevorzugt ein Binde- und/oder Treibmittel zugegeben. Hierbei entsteht beispielsweise Wasserstoff, welcher das Aufschäumen bewirkt. Des Weiteren bildet sich in der Regel ein Metallphosphat, wodurch sich die Porenstruktur verfestigt. Der so hergestellte Schaum wird getrocknet und anschließend zum metallischen Verbund gesintert.
1A und 1B zeigen jeweils eine weitere Alternative zur Herstellung von Metallschaum. Wie in 1A gezeigt, umfasst dieses Verfahren die Schritte Bereitstellen von Metallpulver und Treibmittel (zusätzlich oder alternativ auch Bindemittel), Mischen, zweistufiges Verdichten, Wärmebehandlung und schlussendlich Schaumbilden.
Dieser Prozess ähnelt dem vorstehend beschriebenen Schlicker-Verfahren. Einem Metallpulver wird ein Treib- und/oder Bindemittel zugemischt. Daraufhin wird das Pulvergemisch verdichtet und in einem Wärmebehandlungsprozess aufgeschäumt. Die Zunahme für Aluminiumschaum liegt vorzugsweise bei etwa dem Fünffachen des Ausgangsvolumens, abhängig von Porenanzahl und Größe.
1B zeigt ein weiteres alternatives Verfahren. Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine simple Natur aus. In Metallschmelz werden Gase eingeblasen und somit ein Schaum hergestellt. Beim Abkühlen bleibt das Gas im Metall eingeschlossen, und bildet somit eine Porenstruktur aus.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren liefern Metallschaum als Rohmaterial.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hohlstruktur in einem ersten Aspekt. Wie in 2 gezeigt, weist eine Hohlstruktur 1 einen durchgängigen Hohlraum 10 auf, der durch zumindest zwei Platten 11a, 11b umschlossen ist. Hier bedeutet durchgängiger Hohlraum, dass sich der Metallschaum überall im Hohlraum ausbreiten bzw. verteilen kann.
Im gezeigten Beispiel wären sechs Platten erforderlich, um den schematischen Würfel zu umschließen; z. B. in der Ruderblattherstellung können bereits zwei Platten ausreichen, die durch entsprechende Biegung einen geschlossenen Hohlraum zwischen sich aufweisen. Bevorzugt ist die metallschaumgefüllte Hohlstruktur ein Ruderblatt oder ein Ringkörper einer Vordüse oder Propellerdüse.
Ferner weist der Hohlraum 10 eine Ausdehnung in drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen X, Y, Z auf. Ferner ist der Hohlraum 10 mit einem Metallschaum 12 versehen, der den Hohlraum 10 ausfüllt, wie durch die vier Kugelcluster angedeutet. Wie erwähnt, kann die Makrostruktur eine Anordnung der Vielzahl von Körnern in zumindest zwei einander überlagernden Schichten umfassen. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass der Begriff Metallschaum den aufgeschäumten Metallschaum in seinem Endzustand meint; insbesondere in Hinblick auf die nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren ist aber nicht ausgeschlossen, dass der Begriff Metallschaum auch ein Vormaterial bzw. Halbzeug im unaufgeschäumten Zustand (in-situ Verfahren) oder auch ein Metallgranulat bestehend aus bereits geschäumtem Einzelkörners meint.
In einem Ausführungsbeispiel werden statt einer Aufbringung einer Beplattung auf eine innere Struktur zwei Platten nunmehr um eine Ober- und Unterplatte herumgebogen, so dass sich ein großer innerer Hohlraum ergibt (d.h., in diesem Ausführungsbeispiel sind es vier Platten, die den Hohlraum umschließen). Dieser Hohlraum soll nunmehr mit einem Metallschaum (Vormaterial oder Metallgranulat) ausgefüllt werden, um, trotz des Wegfalls der inneren Struktur, eine ausreichende Aussteifung der Hohlstruktur, insbesondere des Ruderblatts, zu erzielen.
3A und 3B zeigen eine Darstellung einer ersten Alternative zur Implementierung des Metallschaums.
3A zeigt die Implementierung durch ein Metallgranulat 120. Das Metallgranulat 120 kann aus einer Vielzahl von einzelnen Körnern 121 bestehen, die wiederum jeweils eine geschlossene Oberfläche 121a und einen geschäumten Kern 121b aufweisen können. Wie in 3B gezeigt, kann außerdem auf die Körner jeweils eine adhäsionsfähige Schicht 122 (z. B. Polyamid und/oder Epoxidharz) aufgetragen sein.
Mit anderen Worten ist dieses Verfahren ähnlich dem ln-Situ-Verfahren, das nachstehend beschrieben werden wird. Hierbei werden aus dem Granulat 120 (im Ursprungszustand kleine gepresste Plättchen aus Metallpulvergemisch) durch die Aufschäumreaktion kleine Kugeln 121 geformt. Der Kern 121b besteht aus Metallschaum, und die Oberfläche 121a ist geschlossen.
Die kleinen Kugeln werden mit einem Fügemittel 122 (z. B. Kleber, Lot, etc.) beschichtet. Die Elemente sind bei Raumtemperatur einfach zu handhaben, da sie keine Adhäsionswirkung entfalten.
Im letzten Schritt werden die beschichteten Aluminiumschaumelemente in den auszufüllenden Hohlraum geschüttet und die Beschichtung, z. B. durch Erwärmung aktiviert, um eine Verbindung der Aluminiumschaumelemente untereinander (und ggf. auch mit der umgebenden Struktur) zu erreichen. Alternativ wäre auch eine Aktivierung ohne Erwärmung, beispielsweise durch Zugabe von weiteren chemischen Substanzen, möglich. Die Dichte, das Volumen und die Form kann während der Herstellung, wie nachstehend beispielhaft in der Tabelle dargestellt, variiert werden.

Adh. Schicht 122 Polyamid 12 Epoxidharz

Dichte ρ_AFM [g/cm³] Elastizitätsmodul [MPa]

0,35 611 541

0,40 729 736

0,45 853 966

0,50 981 1232
Es sei darauf hingewiesen, dass "Polyamid 12" ein Ausführungsbeispiel für allgemeines Polyamid ist (kein Bezugszeichen), und durch die folgenden Werte charakterisiert sein kann: Bezeichnung Polylauryllactam, CAS-Nummer 24937-16-4, Schmelzpunkt in °C 178, Glastemperatur in °C (trocken) 37, und Dichte in kg/dm³ (teilkristallin) 1,01.
Eine zweite Alternative zur Implementierung liegt in einem ln-Situ-Schäumprozess, in dem das schäumbare, metallhaltige Vormaterial (Halbzeug), z.B. Metallpulver, bevorzugt Aluminiumpulver, in der Hohlstruktur vorliegt bzw. in diese eingebracht wird.
Das schäumbare Vormaterial wird mit dem Hohlkörper auf die Schmelztemperatur des zu schäumenden Materials erhitzt (z. B. ca. 700°C). Hierbei fängt das Material an sich auszudehnen. Dabei ist zu beachten, dass der Hohlraum nicht zu groß sein darf, da der Schaum vor dem Verfestigen im Endzustand instabil ist und unter seinem Eigengewicht zusammenfallen kann. Ein Optimum kann sich beispielsweise bei dem bis zu fünffachen Aufschäumvolumen einstellen; hierbei füllt der Metallschaum den Hohlraum (bzw. das Ruder) bevorzugt zur Gänze aus, ohne unter dem Eigengewicht zusammenzufallen. Weist die Hohlstruktur mehrere Hohlräume auf, können diese alle zur Gänze ausgefüllt sein oder auch nur einige oder keine. Auch können einige oder alle Hohlräume nur teilweise ausgefüllt sein.
4 zeigt einen möglichen Herstellungsverfahrensaspekt der Vorrichtung. Wie in 4 gezeigt, liegt ein Herstellungsverfahren für die (metallschaumgefüllte) Hohlstruktur 1 vor. In einem ersten Schritt S1 wird das Zusammenfügen von zumindest zwei Platten 11a, 11b durchgeführt, um den durchgängigen Hohlraum 10 zu umschließen, der eine Ausdehnung in den drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen X, Y, Z aufweist.
In einem zweiten Schritt S2 wird das Einfüllen eines Metallschaums 12 in den Hohlraum durchgeführt. Wie vorstehend beschrieben, kann der Metallschaum sowohl bereits vorbereitetes Metallgranulat als auch aufschäumbares Halbzeug bzw. Vormaterial umfassen. In einem optionalen Schritt S2b, der lediglich das In-Situ-Verfahren betrifft, wird der eingefüllte Metallschaum vorzugsweise verdichtet. In einem optionalen Schritt S2a, wird der eingefüllte Metallschaum vorzugsweise mit einer adhäsionsfähigen Schicht 122 überzogen.
In einem dritten Schritt S3 wird das Erwärmen der Hohlstruktur mit dem eingefüllten Metallschaum durchgeführt, bis der Metallschaum einen vordefinierten Endzustand erreicht hat. Der vordefinierte Endzustand kann einerseits die Verflüssigung der Adhäsionsschicht 122 auf den Körnern 121 des Metallgranulats 120 und andererseits das vollendete Aufschäumen des Vormaterials bzw. Halbzeugs sein.
Ferner kann optional in einem Schritt S1a eine Öffnung, insbesondere in der Außenwand der Hohlstruktur, vorgesehen werden, durch die Einfüllung des Metallschaums erfolgt. Diese Öffnung kann in einem weiteren optionalen Schritt S4, entweder vor oder nach dem Erwärmungsschritt S3, wieder verschlossen werden.
Durch die beschriebenen Verfahren wird ermöglicht, ein Ruder komplett mit Metallschaum auszuschäumen. Hierbei kann die Außenhaut des Ruders (Beplattung) gefertigt werden und es kann auf Spanten verzichtet werden. Dies ist insbesondere bei kleineren Rudern sehr hilfreich, da auf komplizierte Schweißarbeiten verzichtet werden kann.
Bei großen auszuschäumenden Räumen ist zu beachten, dass diese unter Umständen nicht in einem Schritt ausgeschäumt werden können, da, im Falle der Herstellung des Schaums im Hohlraum, der Schaum vor dem Verfestigen unter seinem Eigengewicht zusammenfallen kann, wie vorstehend beschrieben. Eine mögliche Lösung bestünde darin, den Hohlraum in mehreren Schritten auszuschäumen, z.B. mit Hilfe lediglich lokaler Erwärmung des jeweils neu auszuschäumenden Bereichs. Auch können mehrere Hohlräume vorgesehen werden, die dann jeweils separat voneinander ausgeschäumt werden.
Bezugszeichenliste

1: Hohlstruktur
10: Hohlraum
11a: Platte
11b: Platte
X, Y, Z: drei senkrecht aufeinander stehende Achsen
12: Metallschaum
120: Metallgranulat
121: (einzelnes) Korn (des Metallgranulats)
121a: Oberfläche des Korns
121b: Kern des Korns
122: Adhäsionsfähige Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2109934 A [0005]
FR 2692546 A1 [0006]

Claims

Hohlstruktur (1), umfassend – einen durchgängigen, insbesondere in sich geschlossenen, Hohlraum (10), der durch zumindest zwei Platten (11a, 11b) aus Metall umschlossen ist, wobei die mindestens zwei Platten (11a, 11b) Außenflächen der Hohlstruktur bilden, und wobei der Hohlraum (10) in seiner Makrostruktur eine Ausdehnung in drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen (X, Y, Z) aufweist; und – einen Metallschaum (12), der in den Hohlraum gefüllt ist und insbesondere den Hohlraum im Wesentlichen ausfüllt, – wobei die Hohlstruktur ein Tragflügel für Schiffe, insbesondere ein Ruderblatt, oder eine Düse oder Teildüse für Schiffe, insbesondere ein Ringkörper einer Vordüse oder einer Propellerdüse, ist.
Hohlstruktur gemäß Anspruch 1, wobei der Metallschaum aus geschäumtem Metallgranulat (120) besteht, das bevorzugt aus einer Vielzahl von einzelnen Körnern (121) besteht.
Hohlstruktur gemäß Anspruch 2, wobei die Makrostruktur eine Anordnung der Vielzahl von Körnern in zumindest zwei einander überlagernden Schichten umfasst.
Hohlstruktur gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Körner eine geschlossene Oberfläche (121a) und einen geschäumten Kern (121b) aufweisen.
Hohlstruktur gemäß zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei auf die Körner eine adhäsionsfähige Schicht (122) aufgetragen ist.
Hohlstruktur gemäß Anspruch 5, wobei die adhäsionsfähige Schicht aus Polyamid und/oder Epoxidharz ist.
Hohlstruktur gemäß Anspruch 1, wobei der Metallschaum aus einem aufgeschäumten, schäumbaren, metallhaltigen Vormaterial besteht.
Hohlstruktur gemäß Anspruch 1, wobei der Metallschaum aus einem oder mehreren aufgeschäumten Blöcken aus aufgeschäumten, metallhaltigen, insbesondere vollständig aus Metall bestehenden Material besteht, wobei bevorzugt der Block oder die Blöcke jeweils keine Klebemittel aufweisen.
Hohlstruktur gemäß zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Metallschaum aus Aluminium besteht.
Hohlstruktur gemäß zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die zumindest zwei Platten aus Stahl bestehen und die Hohlstruktur insbesondere als Ruderblatt ausgebildet ist.
Herstellungsverfahren für eine Hohlstruktur (1), umfassend die Schritte: – Zusammenfügen (S1) von zumindest zwei metallischen Platten (11a, 11b), um einen durchgängigen, insbesondere in sich geschlossenen, Hohlraum (10) zu umschließen, wobei die mindestens zwei Platten (11a, 11b) Außenflächen der Hohlstruktur bilden, und wobei der Hohlraum (10) in seiner Makrostruktur eine Ausdehnung in drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen (X, Y, Z) aufweist; und – Einfüllen (S2) eines Metallschaums (12) oder eines schäumbaren, metallhaltigen Vormaterials in den Hohlraum; – wobei die Hohlstruktur ein Tragflügel für Schiffe, insbesondere ein Ruderblatt, oder eine Düse oder Teildüse für Schiffe, insbesondere ein Ringkörper einer Vordüse oder Propellerdüse, ist.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 11, wobei nach dem Einfüllen (S2) die Hohlstruktur mit dem eingefüllten Metallschaum oder mit dem eingefüllten, schäumbaren, metallhaltigen Vormaterial erwärmt wird (S3), bis der Metallschaum oder das schäumbare, metallhaltige Material einen vordefinierten Endzustand erreicht haben.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei der Einfüllschritt Einfüllen eines Metallgranulats (120) umfasst, das aus einer Vielzahl von einzelnen Körnern (121) besteht.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Makrostruktur eine Anordnung der Vielzahl von Körnern in zumindest zwei einander überlagernden Schichten umfasst.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei jedes Korn jeweils eine geschlossene Oberfläche (121a) und einen geschäumten Kern (121b) aufweist.
Herstellungsverfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 13 bis 15, weiterhin umfassend einen Schritt Auftragen (S2a) einer adhäsionsfähigen Schicht (122) auf die Körner (121), vor dem Einfüllschritt.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 16, wobei die adhäsionsfähige Schicht aus Polyamid und/oder Epoxidharz ist.
Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Erwärmungsschritt eine Erwärmung auf mindestens, 150°C, bevorzugt auf mindestens 200°C, besonders bevorzugt auf mindestens 250 °C umfasst.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei der Einfüllschritt Einfüllen eines schäumbaren, metallhaltigen Vormaterials zusammen mit einem Treibmittel und/oder mit einem Bindemittel umfasst.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 19, wobei der Erwärmungsschritt eine Erwärmung auf mindestens 600 °C, bevorzugt auf mindestens 700 °C, besonders bevorzugt auf mindestens 750 °C umfasst.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, wobei der Erwärmungsschritt das schäumbare, metallhaltige Vormaterial auf ein Mehrfaches seines Ausgangsvolumens im unaufgeschäumten Zustand expandiert.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 21, wobei der Zusammenfügungsschritt einen solchen Hohlraum erzeugt, dessen Volumen nicht größer als das Vierfache, bevorzugt nicht größer als das Fünffache, besonders bevorzugt nicht größer als das Siebenfache des Ausgangsvolumens des schäumbaren, metallhaltigen Vormaterials ist.
Herstellungsverfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 11 bis 22, weiterhin umfassend einen Schritt Verdichten (S2b) des eingefüllten Metallschaums oder des eingefüllten, schäumbaren, metallhaltigen Vormaterials.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei der Einfüllschritt Einfüllen eines oder mehrerer aufgeschäumter Blöcke aus aufgeschäumten, metallhaltigen, insbesondere vollständig aus Metall bestehenden Material umfasst, wobei bevorzugt der Block oder die Blöcke jeweils keine Klebemittel aufweisen.
Herstellungsverfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 11 bis 24, wobei der Zusammenfügungsschritt weiterhin einen Schritt Vorsehen (S1a) einer Öffnung für den nachfolgenden Einfüllschritt umfasst.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 25, weiterhin umfassend einen Schritt Verschließen (S4) der Öffnung nach dem Einfüllschritt oder dem Erwärmungsschritt.